考虑可用余料的下料问题解法研究

发布时间：2020-11-21 10:21

　　 减少原材料消耗是企业实现绿色制造的重要手段之一。对原材料的充分利用、减少材料耗费以达到节约原材料的目的,这是企业提高自身经济效益的问题,也是企业改善环境的社会责任问题。下料优化是减少材料消耗最直接有效的方法之一。下料优化技术作为控制原材料利用率的重点源头节点,可对降低资源耗费和降低碳排放量,起到积极有意义的影响作用。下料问题应用广泛,如金属制品与机械制造业的金属板材与线材(型材、管材、线材等)的分割;家具制造业的木板分割;建筑与装饰业的平板玻璃分割;服装业的布料剪裁等。从制造企业生产运营层面看,下料问题是利用材料资源、设备资源,根据顾客需求、生产条件等约束因素,以低成本、高效率制造产品的问题。从学术理论研究层面来看,下料问题是NP(Nondeterministic Polynomial)难度的组合优化问题,到目前为止都无法找到其有效的精确求解算法。在现代集成制造系统中,制造技术、信息技术和管理技术是相互交叉、相互渗透的一个完整体系。制造企业的生产下料过程涉及到管理因素和技术因素,下料的决策与技术、生产、库存等各个部门密切相关。生产下料的决策问题,是在现代集成制造的环境下,根据各种集成系统的有效数据信息,综合考虑各种复杂约束条件下的下料优化。提高材料利用率、简化切割工艺和缩短计算时间是求解下料问题时主要考虑的因素。如何利用过去生产过程中产生积累的余料以最大限度地提高材料利用率,如何在保持简单切割工艺的基础上提高材料利用率,在多周期生产环境下如何通过余料库存缓冲以提高材料利用率,如何保证在合理计算时间内得到满意的下料方案,这些都是本文重点考虑与研究的问题。本文从余料利用的角度出发,研究源于不同制造行业的三个下料问题。主要工作和创新之处包括以下几方面:(1)分析现代集成制造环境下的下料问题,说明与企业资源计划、制造执行系统等企业管理系统的相关性;分析下料问题与工业企业管理的供、产、销等生产经营活动的关联性;总结余料库存的特点,分析余料库存利用的经济效益;分析多周期生产与余料库存的关联性,以期挖掘出余料库存利用对制造企业的节支增效的潜能。(2)针对纸和塑料薄膜制造行业提出对余料利用的要求,根据纸和塑料薄膜可黏贴拼接下料的特点,以余料是否可再分来建立余料可分(DSCSP)和余料不可分(ISCSP)两种下料整数规划模型。调用CPLEX求解整数规划的松驰模型,得到问题解的下界。为兼顾求解时间和效率,用自适应顺序启发式方法和列生成法联合的SVCTIP算法求排样方案,用背包算法求纸卷和塑料薄膜余料分切的布局图。实验测试结果表明:SVCTIP算法的优化效果比与应用广泛的顺序启发式SHP算法的优化效果更好;SVCTIP算法的下料方案利用率比国际知名公司Greycon提供的下料方案利用率更高。由此可说明,SVCTIP算法可实现对纸卷余料和塑料薄膜卷余料的有效利用,减少成品纸卷耗费,降低产品生产成本,增加企业经济效益,促进企业实现绿色制造。(3)针对制造电机等同类企业对圆片需求种类数不多,且需求有小批量、长期重复特点的圆片下料问题,在保持简单切割工艺的基础上提出主动生成规范余料及利用策略,利用余料作为库存缓冲,通过总库存上限约束保持合理的余料库存量,以避免增加库存资金积压和余料管理困难;通过分类库存上限约束增加余料种类的多样性,以获得更高的材料利用率。用自适应顺序启发式AWNL算法求解圆片下料问题,用动态规划递推方法实现单段直切布局图的求解。实验测试结果表明:主动生成规范余料策略可提高企业长期的材料利用率;在此策略下的滚剪下料利用率可与平剪下料利用率持平,甚至有更优的趋势;简单切割工艺带来切割成本的大幅下降;存放余料只需少量存储空间,余料库存可作为安全库存的有益补充,有助于避免缺货现象。由此说明,在不增加库存压力的情况下,AWNL算法在保持高利用率的同时可大大降低圆片下料的生产成本。(4)与以往有关余料利用的研究不同,本文研究余料数量和余料种类均受限的一维下料问题。提出利用动态优化方法生成多种余料的策略,以增加余料种类的多样性。利用余料和标准原材形成多规格的一维下料问题以提高材料利用率。用基于列生成的启发式方法,再结合MIP优化器求解的TPBNT算法分两时段求解。实验测试结果表明:无论单周期还是多周期情况下,TPBNT算法在减少切割损失和减少余料库存量方面均比文献算法的效果更优;与指定余料种类策略相比,本文的优化余料种类策略在减少操作准备成本和减少存储空间等方面的性能更优。综上所述,本文研究不仅可丰富与完善下料问题的基础算法理论,而且可对(公司或者企业的)下料优化软件的开发以及对相关企业生产经营具有实践指导意义。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH186
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景和意义
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 课题来源
        1.1.3 研究意义
    1.2 下料问题的基本概念
    1.3 国内外研究现状分析
        1.3.1 从下料问题的求解方法分析
        1.3.2 从下料问题的研究角度分析
    1.4 本文研究内容及创新之处
    1.5 研究方法及技术路线
    1.6 本文章节安排
第二章 下料问题及其优化方法
    2.1 下料问题分类及下料工艺
        2.1.1 下料问题的分类
        2.1.2 剪切下料工艺
        2.1.3 纸卷拼接工艺
        2.1.4 圆片下料工艺
    2.2 制造执行系统与下料问题
    2.3 工业企业管理与下料问题
    2.4 余料库存利用的下料问题
    2.5 本文下料问题的优化方法
        2.5.1 整数规划与列生成方法
        2.5.2 自适应的顺序启发式方法
        2.5.3 背包问题与动态规划方法
    2.6 本章小结
第三章 考虑余料拼接利用的纸卷和塑料薄膜卷下料算法
    3.1 引言
    3.2 余料卷拼接下料问题描述
    3.3 两种下料问题特点及相关概念
        3.3.1 余料可分的下料问题（DSCSP）
        3.3.2 余料不可分的下料问题（ISCSP）
        3.3.3 两种下料问题的异同点
    3.4 余料卷拼接下料SVCTIP算法的设计与实现
        3.4.1 DSCSP优化模型及其下界求解算法
        3.4.2 DSCSP模型的自适应求解算法（SVCIP）
        3.4.3 ISCSP的下料优化模型及其求解方法
        3.4.4 DSCSP和ISCSP的顺序启发式求解过程（SHP）
    3.5 测试实验与结果分析
        3.5.1 随机测试算例的生成
        3.5.2 不同参数值对算法的性能影响分析
        3.5.3 SVCTIP和SHP的计算性能比较分析
        3.5.4 一个工业算例的计算结果分析
    3.6 本章小结
第四章 考虑规范余料生成及利用的圆片下料算法
    4.1 引言
    4.2 圆片下料问题建模
        4.2.1 圆片下料的相关概念
        4.2.2 问题描述及其数学模型
    4.3 规范余料生成及利用的AWNL算法设计与实现
        4.3.1 主算法实现的步骤
        4.3.2 条带生成过程
        4.3.3 布局图生成方法
        4.3.4 圆片价值的自适应调整过程
    4.4 测试实验与结果分析
        4.4.1 与不允许生成规范余料条带的策略对比
        4.4.2 与文献算法减少切割成本的比较
        4.4.3 多规格板材对AWNL算法的效率影响分析
    4.5 本章小结
第五章 考虑非规范余料生成及利用的线材下料算法
    5.1 引言
    5.2 线材下料问题建模
        5.2.1 问题相关基本概念
        5.2.2 问题描述及其数学模型
    5.3 非规范余料生成及利用的TPBNT算法设计与实现
        5.3.1 两时段下料TPBNT算法的总体框架
        5.3.2 基于列生成的启发式算法求解过程
        5.3.3 布局图接纳判断函数的实现过程
    5.4 测试实验与结果分析
        5.4.1 算法参数的设置
        5.4.2 与单周期下料的文献算法性能比较
        5.4.3 与多周期下料的文献算法性能比较
        5.4.4 与指定余料种类策略的性能比较
    5.5 本章小结
结论及展望
    研究工作总结
    研究工作展望
参考文献
附录
攻读博士学位期间取得的研究成果
致谢
附件

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 潘家华;;坚持绿色发展[J];求是;2015年23期

2 吴丹洁;苏俊华;郑建阳;;企业零库存的适用与风险探析[J];改革与战略;2015年05期

3 王元芳;戚得众;黄俊敏;;多排料方案下的加工排程优化研究[J];机械设计与制造;2015年01期

4 祝胜兰;饶运清;;一维下料问题的启发式方法[J];机械制造与自动化;2014年01期

5 刘利平;李利民;周应军;;电机行业下料车间制造执行系统研究[J];软件导刊;2012年10期

6 戚得众;饶运清;孙念友;刘朝晗;;金属结构件优化下料与生产管控系统设计与实现[J];制造业自动化;2012年14期

7 季君;陆一平;查建中;崔耀东;王金敏;;生成矩形毛坯最优两段排样方式的确定型算法[J];计算机学报;2012年01期

8 陈菲;刘勇;刘睿;严玄;崔耀东;;基于3块方式的圆形片剪冲排样算法[J];计算机工程;2009年14期

9 张德富;陈竞驰;刘永凯;陈火旺;;用于二维不规则排样的离散临界多边形模型[J];软件学报;2009年06期

10 钱小秋;许超;;板材加工余料管理及成本研究[J];成组技术与生产现代化;2009年01期

相关博士学位论文 前8条

1 陈秋莲;二维剪切下料问题的三阶段排样方案优化算法研究[D];华南理工大学;2016年

2 罗立宏;基于图像的不规则零件排样算法研究[D];华南理工大学;2013年

3 沈清泓;企业制造执行系统和关键性能指标评估技术研究[D];浙江大学;2013年

4 靳鹏;配料企业下料与调度协调优化模型研究[D];合肥工业大学;2013年

5 朱剑刚;中国家具制造业信息化与竞争力提升[D];南京林业大学;2004年

6 阎春平;面向物料资源优化利用的产品设计系统与优化下料技术研究[D];重庆大学;2002年

7 贾志欣;面向发电设备制造的下料优化排样原理与关键技术[D];四川大学;2002年

8 罗阳;机械制造车间生产作业多智能体规划原理与板材套料优化方法的研究[D];四川大学;2001年

相关硕士学位论文 前10条

1 王广启;塑料门窗生产的下料与排产联合规划[D];济南大学;2016年

2 游凌伟;二维余料利用的下料算法研究[D];广西大学;2015年

3 张治;大型机械制造过程集中下料管理系统设计与开发[D];中南大学;2013年

4 王鹏;造纸企业MES系统设计研究[D];山东师范大学;2012年

5 陈静;DEF公司库存管理问题及对策[D];北京交通大学;2012年

6 赵宁;纸卷排产及分切综合优化系统的开发[D];华南理工大学;2011年

7 王金业;面向机械下料车间的MES建模与系统开发[D];河北科技大学;2011年

8 王翔;汽车生产企业中的不固定用量零件的订货研究[D];复旦大学;2011年

9 富君;基于C/S模式的板材套料优化与定额管理集成系统研究[D];大连交通大学;2008年

10 俞燕;先进制造业的制造成本分析与控制[D];复旦大学;2008年

本文编号：2892869